Che cos'è l'ottimizzazione energetica?
L'ottimizzazione della potenza è il tentativo di ridurre la potenza consumata dai dispositivi digitali come i circuiti integrati bilanciando parametri come dimensioni, prestazioni e dissipazione del calore. È un'area molto critica nella progettazione di componenti elettronici perché molti dispositivi elettronici portatili richiedono un'elevata capacità di elaborazione con un basso consumo energetico. I componenti devono svolgere funzioni complesse ma generare il minor calore e rumore possibile, il tutto racchiuso in una superficie molto piccola. Un'area di ricerca digitale intensamente studiata, l'ottimizzazione della potenza è vitale per il successo commerciale di molti dispositivi.
L'idea di ottimizzare la potenza nella progettazione elettronica ha iniziato ad attirare l'attenzione alla fine degli anni '80 con l'uso diffuso di dispositivi portatili. La durata della batteria, gli effetti di riscaldamento e i requisiti di raffreddamento sono diventati molto importanti per ragioni sia ambientali sia economiche. Il montaggio di componenti sempre più complessi su chip di dimensioni inferiori è diventato vitale per garantire la produzione di dispositivi più piccoli con più funzionalità. Il calore generato dall'inclusione di così tanti componenti, tuttavia, è diventato un grosso problema. Fattori come le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo sono influenzati anche dal calore.
Per ridimensionare i chip, ridurre le dimensioni degli stampi e mantenere le massime prestazioni a livelli di temperatura accettabili, è necessario investire tempo nelle metodologie di ottimizzazione della potenza. L'ottimizzazione manuale della potenza diventa impossibile con i chip esistenti come i circuiti integrati perché contengono milioni di componenti. In genere, i progettisti realizzano l'ottimizzazione della potenza limitando l'energia sprecata, che è principalmente speculazione, architettura e spreco di programma. Tutti questi metodi tentano di ridurre lo spreco di energia dal livello di progettazione del circuito all'esecuzione e all'applicazione.
Lo spreco di programma si verifica quando un microprocessore di fascia alta esegue comandi non necessari. L'esecuzione di questi comandi non modifica il contenuto della memoria e i registri. Eliminare gli sprechi di programma significa ridurre l'esecuzione di istruzioni morte e sbarazzarsi di negozi silenziosi. Lo spreco di speculazione si verifica quando il processore recupera ed esegue le istruzioni oltre i rami non risolti. I rifiuti architettonici si verificano quando strutture come cache, predittori di rami e code di istruzioni sono troppo grandi o troppo piccole.
Principalmente progettati per contenere grandi quantità, le strutture architettoniche di solito non sono utilizzate al massimo delle loro capacità. Al contrario, ridurli aumenta anche il consumo di energia a causa di una maggiore errata speculazione. La corretta ottimizzazione della potenza richiede l'utilizzo di un approccio a livello di sistema selezionando i componenti che consumano pochissima energia. Tutte le possibili combinazioni di questi tipi di componenti possono essere esplorate in fase di progettazione. Ridurre la quantità di attività di commutazione necessaria nel circuito garantisce anche un minor consumo di energia.
Alcuni degli altri approcci utilizzati per l'ottimizzazione della potenza includono il clock gating, le modalità sleep e una migliore progettazione della logica. Retiming, bilanciamento del percorso e codifica dello stato sono altri metodi logici che possono limitare il consumo di energia. Alcuni progettisti di microprocessori utilizzano anche formati speciali per codificare file di progettazione che inseriscono funzionalità di controllo di risparmio energetico.